Электрохимическая озоно-пероксидно-сорбционная очистка вод

УДК 541.13

В статье представлена информация об электрохимическом озоно-пероксидно-сорбционном способе водоподготовки. Настоящая работа продолжает цикл исследований, проводившихся под руководством Путилова А.В., Клочихина В.Л. в НИФХИ им. Л.Я.Карпова. Целью работы является применение электрохимического озоно-пероксидно-сорбционного способа для усовершенствования традиционных систем озоновой водоочистки с целью реализации на них дополнительных преимуществ: увеличение на 50% номенклатуры обезвреживаемых экотоксикантов, увеличение глубины очистки не менее чем на 30%.

Ключевые слова: озоно-пероксидно-сорбционный способ водоподготовки, оптимизация очистки стоков, перспективные методы очистки стоков.

Разработаны модели управления и оптимизации процессов очистки стоков реальных производств с широким спектром техногенных загрязнений и типовых растворов на основе интенсивного электрохимического озоно-пероксидно-сорбционного способа. Основной принцип - синергетический эффект in-situ воздействия пероксикатализа, озонирования, сорбции и электровосстановления.

Обработка природных, сточных вод на катодах из углеграфитового волокнистого материала (УГВМ), армированных в Ni материал, имеет следующие достоинства:
- глубокое окисление и деструкция органических загрязнений;
- детоксификация хлорорганических соединений до полной минерализации;
- нитрификация и денитрификация;
- осаждение тяжелых металлов, гидрооксидов, оксидов;
- отсутствие потребности в расходуемых газах и реагентов;
- обеспечение экологической и технологической безопасности.

Сточные воды автомоечных предприятий

Электрохимическая озоно-пероксидно-сорбционная очистка сточных вод автомоечного предприятия осуществляется следующим образом. В катодную камеру электролизера с катодом из углеграфитового волокнистого материала, армированного в Ni компоненту, инжектируется озоно-кислородная смесь, получаемая на аноде из стеклоуглерода СУ-2000. Сточная вода подвергается обработке по различным вариантам пути I (схема многофункциональной установки).

Варианты обработки сточной воды:
- простое озонирование со скоростью подачи озон-кислородной смеси 7,8% 9,8 л/час, при этом доза израсходованного на реакцию озона составила 490 мг/л•час ;
- электрохимическая пероксидная обработка со скоростью подачи кислорода 7,2 %9,6 л/час при катодной плотности тока 1.10%5 А/см2;
- электрохимическая озоно-пероксидная обработка со скоростью подачи озон-кислородной смеси 7,8-9,6 л/час при катодной плотности тока 1.10-А/см2, при этом доза озона и перекиси водорода составила 34 мг/л.час.

Сняты электронные спектры поглощения исходной сточной воды и после обработок по указанным вариантам. Установлено, что при длине волны 220 нм самая высокая степень очистки сточной воды (93%) достигается при электрохимической озоно-пероксидной обработке, 82% - при электрохимической пероксидной обработке и 72% - при жидкофазном окислении только одним озоном. Скорость синергетической деструкции органических загрязнений растет при одновременном воздействии озона, перекиси водорода и электрического тока. При этом расход озона при озоно-пероксидно-электрохимической обработке в 10 раз меньше, а расход электроэнергии (0,24 кВт•час/м3) – в 4%5 раз меньше, чем при жидкофазном окислении только одним озоном.

Сточные воды производства красителей

Данный способ также эффективен при очистке промышленных сточных вод. Раствор красителей (2 диметиламино-этана, 1 метил- 2 - пирромидола, диэтиленгликоль-монобутилового эфира, этиленгликоль-монобутилового эфира с концентрацией 18 мг/л) подвергался катодной обработке на технологическом узле Ni сетка + УГВМ катализатор + УГВМ сорбент с непрерывной продувкой О3-О2 смеси и дополнительной стадией сорбции на УГВМ типа бусофит (таблица 1).

Установлено, что на таких комбинированных катодах достигается высокая эффективность очистки. При использовании метода жидкостной хроматографии достигается 99% конверсия красителей при катодной обработке (только при анодной обработке конверсия составляет 74% по диэтиленгликолю и 29% - по монобутиловому эфиру). Еще более высокая (100%) конверсия достигается после дополнительной сорбции на УГВМ типа бусофит.

Сточные воды, содержащие неорганические азотсодержащие соединения

Проблема денитрификации сточной воды, повышения качества очистки по азоту до требований ПДК без изменения химического состава очищаемой воды по-прежнему актуальна.

Если говорить о режимно-технологических параметрах электровосстановления NO3 до молекулярного N2, то степень разложения NO3 до N2 90% достигается при обработке сточной воды в интервале потенциалов от погружения от 0,2-0,5до 1,0-1,2 В при времени обработки 30 мин. в динамическом режиме. В этих условиях одновременно на комбинированных катодах Ni + УГВМ протекает процесс электрохимически управляемой сорбции нитрат-ионов на УГВМ. Количество сорбированных NO3 составляет 10%.

Следует особо подчеркнуть, что спектральный анализ раствора 0.1N KNO3 после электролиза не установил присутствия нитрит-анионов, что подтверждает приведенную схему электровосстановления. После электролиза на спектрах не появляется полоса с максимумом поглощения с l = 350 нм, характерная для NO2 нитрит-иона.

Регенерация поверхности комбинированного катода УГВМ + Ni происходит в воде анодной поляризацией без затрат реагентов на месте обработки воды.

Ресурс работы, каталитическая активность, сорбционные свойства длительно работавшего комбинированного катода УГВМ + Ni с 0 до 94% восстанавливается путем модифицирования катодной поляризацией в децинормальном растворе нитрате аммония.

Разработан способ удаления карбамида из сточных вод, содержащих высокие концентрации нитрит, нитрат-ионов.

Эффективность озон-пероксидн-электрохимического способа также была установлена при очистке природной воды. Расход г O3/г ХПК: простое озонирование - 0,2; электрохимически-озоно-пероксидно-сорбционное - 0,048.

 Утилизация дезактивирующих растворов помещений, оборудования, спецпрачечных, спецодежды

Представляло интерес выяснение возможности применения электрохимически-озоно-пероксидно-сорбционного способа для утилизации дезактивирующих растворов помещений, оборудования, спецпрачечных, спецодежды, основным компонентом которых является щавелевая кислота.

Результаты окислительного разложения щавелевой кислоты по озоно-сорбционному варианту в функции концентрации O3 (а) и присутствия катализатор-сорбента УГВМ показали, что при высоких концентрациях озона эффективность окислительного разложения раствора 5% C2H2O4 в 2,8 раз выше. Очевидно, окислительное разложение при высоких концентрациях озона преимущественно протекает до полной минерализации, в то время как при низких концентрациях протекает с образованием промежуточных продуктов. Установлены E redox раствора 5% C2H2O4 при pH =11. Исходный +0,1- 0,087 В, - после озонирования - 0,035 В.

В указанных условиях эффективность окислительного разложения достигается в 5-6 раз выше. Столь высокий эффект можно объяснить модифицированием поверхности УГВМ озоном и сорбцией продуктов окислительного разложения. Сорбционная емкость УГВМ после окислительного разложения увеличивается, на что указывает изменение веса УГВМ. Сорбционная емкость сорбента-катализатора после окислительного разложения 5 вес. % C2H2O4 при pH = 11 составила 0,035г/г.

Сточные воды, содержащие ионы цветных, тяжелых металлов

Изучены закономерности сорбции ионов Co+2 из раствора 1.10-2 м/л Co(CH3COO) 2 углеграфитовых волокнистых материалов, являющихся основным компонентом электродного материала в электрохимически-озоно-пероксидно-сорбционной способе очистки сточных вод.

Эффективность извлечения ионов Co+2 даже без предварительного химического или электрохимического модифицирования поверхности УГВМ является достаточно высокой. На УГВМ марки бусофит ТМ-4 составляет 40-45%. Оценены величины сорбционной емкости: 0,005 г/г для вискума ТМ-4 и 0,348 г/г для бусофита ТМ-4.

Заметим, что степень извлечения ионов Ni+2 из раствора 1м/л NiSO4 на УГВМ составляет 40-50%.

Таким образом, электрохимическая озоно-пероксидно-сорбционная очистка сточных вод на катодах из углеграфитового волокнистого материала и никелевых компонентов представляется перспективной по сравнению с другими физико-химическими методами, что обусловлено высоким и стабильным эффектом очистки, низкой энерго- и материалоемкостью, широким диапазоном по окислительной мощности и производительности, универсальностью и многофункциональностью.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (соглашение о предоставлении субсидии от 20 октября 2014 года №14.576.21.0053, уникальный идентификатор прикладных научных исследований (проекта) - RFMEFI 57614X0053).

Литература:
1. Г.Ф.Потапова, А.В.Путилов, В.Л.Клочихин, Н.В.Козлова, О.В.Шестакова. «Окислительно-электрохимическая технология обезвреживания экотоксикантов» // Сборник тезисов докладов международного конгресса «Вода: экология и технология»,17-21 сентября 1996г., Москва, стр. 244.
2. Г.Ф.Потапова, А.В.Путилов, В.Л.Клочихин, Н.В.Козлова, О.В.Шестакова, Д.И.Филатов «Окислительно-электрохимическая технология обезвреживания экотоксикантов» // Тезисы докладов третьего международного конгресса «Экватэк-98», 26-30 мая 1998г., Москва, стр.444-446.
3. Г.Ф.Потапова, А.В.Путилов, Н.В.Коз- лова, Г.А.Козлова, В.Л.Клочихин. «Применение озон-электрохимической технологии обезвреживания экотоксикантов для денитрификации воды» // Тезисы докладов пятого международного конгресса «Экватэк-02». 4-7 июня 2002 г., Москва, стр.347- 348.

Electrochemical ozone-peroxide-sorption treatment of waste water

The article presents information about the electrochemical ozone-peroxide-sorption method of water treatment. The present work continues a series of studies conducted under the leadership of A.V. Putilov, V.L. Klochikhin in the Institute of physical chemistry them. L.Y. Karpov. The aim of this work is the application of electrochemical ozone-per- oxide-sorption method to improve traditional systems ozone water treatment for the purpose of implementation of additional benefits (increase of 50% items detoxified toxicants, increase the depth of treatment not less than 30%).

Keywords: ozone-peroxide-sorption method of water treatment, wastewater treatment optimization, advanced methods of wastewater treatment.

Gadlevskaya Anastasia Sergeevna, research scientist, head of Department of CPS. Е-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.;

Potapova Galina Filippovna, candidate of chemical Sciences, leading researcher;

Mantusov Anton Viktorovich, senior researcher;

Abramov Pavel Ivanovich, candidate of technical Sciences, Deputy head of the laboratory;

Kuznetsov Evgeny Viktorovich, doctor of technical Sciences, chief researcher.

State Corporation for atomic energy Rosatom, Institute of physical chemistry them. L. Y. Karpov. 105064, Russia, Moscow, per butt, d. 3%1/12, p. 6.

Klochihin Vladimir Leonidovich, academician of RANS, head of laboratory, Institute of problems of safe development of atomic energy.
115191, Russia, Moscow, Bolshaya Tulskaya ul., d. 52.

Журнал «Вода Magazine», №4 (104), 2016 г.